JP7145646B2

JP7145646B2 - 建物の被災度判定方法及び建物の被災度判定システム

Info

Publication number: JP7145646B2
Application number: JP2018097162A
Authority: JP
Inventors: 直寛濁川; 美治浅香
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2022-10-03
Anticipated expiration: 2038-05-21
Also published as: JP2019203713A

Description

本発明は、地震発生後に、簡易かつ迅速に建物の被災度を精度高く判定することができる建物の被災度判定方法及び建物の被災度判定システムに関する。

建物の健全性を地震発生後に判定する技術には、構造ヘルスモニタリングが実用化されている。この構造ヘルスモニタリングでは、建物の所定の観測階に速度計等を配置し、観測された応答波形から振動解析モデルによって変位を算定し、その最大値分布から層間変位角を求め、構造性能を診断する手法が主流となっている。

例えば、非特許文献１には、地震観測データとＡＲＸモデルを用い、観測されていない階の応答を近似的に推定する方法が開示されている。この方法では、まず、建物の設計モデル解析モデルのモード形と同定された観測階（センサ設置階）の刺激関数から各階の刺激関数を振動モードごとに決定する。次に、刺激関数と同定された極から、各階の変位応答を出力とするＡＲＸモデルの留数を求め、さらに、各階変位を出力とするＡＲＸモデルの外生入力パラメータを求めるようにしている。これにより、層間変位や層間変形角を求めることができ、地震による被災状況を把握し、建物の耐震性能評価を行うことができる。

池田芳樹、「ＡＲＸモデルに基づく減衰配置と地震観測されていない階の応答の近似的推定」、日本地震工学会大会梗概集、ｐ．１６６－１６７、２００５年

しかしながら、振動解析モデルを用いた従来の方法では、用いられる振動解析モデルによって診断結果に差異が生じるという問題があった。また、振動解析モデルを用いた従来の方法では、処理が複雑であり、診断結果を得るまでに時間がかかるという問題もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、地震発生後に、簡易かつ迅速に建物の被災度を精度高く判定することができる建物の被災度判定方法及び建物の被災度判定システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる建物の被災度判定方法は、建物の各階の柱脚に加速度センサーを配置し、地震発生前後に対する鉛直方向の傾斜角変化である層間変形角を直接モニタリングして前記建物の被災度を判定することを特徴とする。

また、本発明にかかる建物の被災度判定方法は、上記の発明において、前記加速度センサーは、ＭＥＭＳデバイスであることを特徴とする。

また、本発明にかかる建物の被災度判定システムは、建物の各階の柱脚に加速度センサーを配置し、地震発生前後に対する鉛直方向の傾斜角変化である層間変形角を直接モニタリングして前記建物の被災度を判定することを特徴とする。

また、本発明にかかる建物の被災度判定システムは、上記の発明において、前記加速度センサーは、ＭＥＭＳデバイスであることを特徴とする。

本発明によれば、層間変形角を直接モニタリングしているので、地震発生後に、簡易かつ迅速に建物の被災度を精度高く判定することができる。

図１は、本発明の実施の形態である建物の被災度判定システムの全体構成を示す図である。図２は、傾斜計の構成を示す機能ブロック図である。図３は、被災度判定部による被災度判定処理手順を示すフローチャートである。図４は、ＭＥＭＳ型加速度センサーを用いた層間変形角の算出を説明する説明図である。図５は、層間変形角と損傷レベルとの関係を示す図である。図６は、ＭＥＭＳ型加速度センサーと差動トランス式傾斜計との計測精度を比較する図である。図７は、ＭＥＭＳ型加速度センサーによる傾斜角度に対する測定値の直線性を示す図である。図８は、各傾斜計を管理装置に接続した建物の被災度判定システムの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態である建物の被災度判定システム１（以下、「被災度判定システム」という）の全体構成を示す図である。図１に示すように、被災度判定システム１は、建物の各階の柱脚に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型加速度センサーを用いた傾斜計１０が配置されている。傾斜計１０は、地震発生前を含む常時、震度を計測する地震計の機能を有する。また、傾斜計１０は、地震発生前後における鉛直方向の傾斜角変化である層間変形角θを直接計測して出力する。

図２は、傾斜計１０の構成を示す機能ブロック図である。図２に示すように、傾斜計１０は、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１、制御部１２、記憶部１３、及び入出力部１４を有する。ＭＥＭＳ型加速度センサー１１は、例えば、静電容量型のセンサーである。ＭＥＭＳ型加速度センサー１１は、例えば３軸の加速度を測定し、信号処理を行うことによって、各軸の傾きや振動などの情報を取得する。ＭＥＭＳ型加速度センサー１１に要求される性能は、例えば、測定範囲が±２０００Ｇａｌ、感度０．００４Ｇａｌ／ＬＳＢ（２０ｂｉｔ）、ノイズレベル０．０２５Ｇａｌである。

記憶部１３は、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリ等の二次記憶媒体からなる樹億デバイスであり、計測した常時の地震強度及び地震発生時の層間変形角θを記憶する。すなわち、傾斜計１０は、地震強度及び層間変形角θを記憶するデータロガーとして機能する。

入出力部１４は、例えば、タッチパネルなどの入出力デバイスであり、各種情報の入出力を行う。

制御部１２は、傾斜計１０の全体の制御を行う。制御部１２は、被災度判定部１５を有し、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１の検出結果をもとに、層間変形角θを求め、この層間変形角θの値から、被災度を判定し、判定結果を記憶部１３に記憶するとともに、入出力部１４に出力する。

＜被災度判定処理＞
つぎに、図３に示したフローチャートを参照して被災度判定部１５による被災度判定処理手順について説明する。図３に示すように、被災度判定部１５は、まず、所定強度以上の地震が発生したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。所定強度以上の地震が発生していない場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）には、本判定処理を繰り返す。なお、この場合、傾斜計１０は、地震強度を測定し、測定結果を記憶部１３に記憶し続ける。

一方、所定強度以上の地震が発生した場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１の検出結果をもとに層間変形角θを算出する（ステップＳ１０２）。その後、被災度判定部１５は、算出した層間変形角θに対応した損傷レベルを判定し（ステップＳ１０３）、この判定した損傷レベル及び層間変形角θを記憶部１３及び入出力部１４に出力し（ステップＳ１０４）、本処理を終了する。

＜層間変形角θの算出＞
図４に示すように、柱脚の長手方向（鉛直方向）をｚ方向とすると、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１は、３軸の合成加速度が鉛直下向き（－ｚ方向）に１Ｇとなる。したがって、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１の１軸（ｚ軸）に対する傾斜角θｙは、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１のｘ方向への加速度をαｘとすると、
θｙ＝ｓｉｎ^－１（αｘ／１Ｇ）
として求めることができる。

＜損傷レベルの判定＞
図５に示すように、損傷レベルは、層間変形角θがθ≦１／２００のときは、損傷限界以内で、ほぼ損傷なしであることを示す「３」と判定し、層間変形角θが１／２００＜θ≦１／１００のときは、設計限界以内で、軽微な損傷ありであることを示す「２」と判定し、層間変形角θが１／１００＜θのときは、重度の損傷ありであることを示す「１」と判定する。

本実施の形態では、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１の検出結果をもとに層間変形角θを直接モニタリングして被災度である損傷レベルを判定するようにしているので、地震発生後に、簡易かつ迅速に建物の被災度を精度高く判定することができる。特に、従来の振動解析モデルを用いた損傷レベル判定に比して、層間変形角θを直接モニタリングしているため、迅速かつ精度高く判定することができる。

＜差動トランス式傾斜計との比較＞
本実施の形態では、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１を用いているが、図６及び図７に示すように、従来の差動トランス式傾斜計に比して、傾斜角度に対する測定値の変化の直線性がよく、精度高く層間変形角θを得ることができる。また、ＭＥＭＳ型加速度センサー１１は、スマートフォンなどにも用いられるように、差動トランス式傾斜計に比して、小型化を実現することができる。

＜変形例＞
上述した実施の形態では、各傾斜計１０はそれぞれ独立して設置されていたが、本変形例では、各傾斜計１０をネットワークＮなどを介して管理装置２０に接続するようにしている。管理装置２０は、各傾斜計１０が常時計測する震度及び層間変形角θをネットワークＮを介して取得する。なお、各傾斜計１０の記憶部１３には、各傾斜計１０の配置位置を識別する識別情報が記憶され、この識別情報は、震度及び層間変形角θなどの情報に付加されて管理装置２０に送信される。なお、ネットワークＮは、各傾斜計１０と管理装置２０とを直接接続してもよいし、インターネットなどのネットワークＮを介して管理装置２０を遠隔配置するようにしてもよい。また、ネットワークＮは、有線あるいは無線のいずれであってもよいし、混在していてもよい。

ところで、上記の層間変形角θは、定義によっては、地震発生時における建物の水平変位を階高で割った値として定義される。この定義によれば、層間変形角θは、ｔａｎθである。したがって、層間変形角θを求めた後、ｔａｎθを層間変形角として算出するようにしてもよい。もっとも、θが小さいとき、θとｔａｎθとは、ほぼ同じ値である。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態及び変形例による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態及び変形例に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、変形例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１建物の被災度判定システム
１０傾斜計
１１ＭＥＭＳ型加速度センサー
１２制御部
１３記憶部
１４入出力部
１５被災度判定部
２０管理装置
Ｎネットワーク
θ 層間変形角
θｙ傾斜角

Claims

建物の各階の柱脚に加速度センサーを配置し、水平方向の加速度の大きさを鉛直下向きの３軸の合成加速度の大きさで除算した値に対する逆正弦関数の角度を、地震発生前後に対する鉛直方向の傾斜角変化である層間変形角として直接モニタリングして前記建物の被災度を判定することを特徴とする建物の被災度判定方法。
前記加速度センサーは、ＭＥＭＳデバイスであることを特徴とする請求項１に記載の建物の被災度判定方法。
建物の各階の柱脚に加速度センサーを配置し、水平方向の加速度の大きさを鉛直下向きの３軸の合成加速度の大きさで除算した値に対する逆正弦関数の角度を、地震発生前後に対する鉛直方向の傾斜角変化である層間変形角として直接モニタリングして前記建物の被災度を判定することを特徴とする建物の被災度判定システム。
前記加速度センサーは、ＭＥＭＳデバイスであることを特徴とする請求項３に記載の建物の被災度判定システム。